Физико-химические методы обогащения сырья

3. Сущность флотационного процесса

 

 

Флотация основана на различиях  в физико-химических свойствах разделяемых минералов, а именно на различии в значениях их удельных свободных поверхностных частиц.

Свободная энергия частицы  в любой системе складывается из ее потенциальной и поверхностной энергии. Первая из них пропорциональна массе или объему частицы, т.е. кубу диаметра, а вторая – ее поверхности, т.е. квадрату диаметра. Очевидно, что с уменьшением размера частицы величина ее потенциальной энергии уменьшается в гораздо большей степени, чем величина поверхностной энергии. Поэтому, как бы ни была мала поверхностная энергия частицы по сравнению с потенциальной, всегда можно получить частицы малых размеров, у которых поверхностная энергия будет, намного больше потенциальной. Именно с такими частицами имеют дело при флотационном разделении. Крупность флотирующихся частиц обычно не превышает 0,6 мм., а при особых режимах флотации- нескольких миллиметров.

Флотационная система  является гетерогенной, включающей твердую, жидкую, и газообразную фазы, которые образуют поверхности раздела: жидкость- газ, жидкость - твердое, твердое - газ. Каждая из поверхностей раздела фаз характеризуется своим значением поверхностной свободной энергии, появление которой обусловлено неодинарным притяжением молекул поверхностного слоя со стороны соприкасающихся фаз (рис.1).

 

 Если в объемах  соприкасающихся фаз Ⅰ и Ⅱ плотности энергии и постоянны, то в поверхностном слое толщиной плотность энергии возрастает, достигая максимума на границе раздела.

 

                             

 

  F

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                      H

 

 

Рис.1 Флотационный процесс: f₁,f₂- плотности энергии разделов; h_1,h₂- толщина слоев.

 

Значение удельной свободной поверхностной  энергии зависит от различий в  значении полярности соприкасающихся  фаз, т.е. различий в интенсивности действующих в них молекулярных сил.  Мерой полярности фазы могут служить такие свойства, как диэлектрическая постоянная, дипольный момент молекул и другие, так называемые молекулярные свойства фаз. Чем больше различие в полярности соприкасающихся фаз, тем больше некомпенсированность взаимодействия молекул и ионов граничащих фаз и больше удельная поверхностная энергия на границе раздела двух полярных фаз, а также на границе двух неполярных фаз будет малой, а на границе раздела полярной и неполярной фаз - большой величиной.

 

4. Виды флотации

 

 

 В зависимости от  характера и способа образования  межфазных границ (вода – масло – газ), на которых происходит закрепление разделяемых компонентов  различают несколько видов флотации.

 

4.1. Флотационное разделение минералов на поверхности жидкость- жидкость. Масляная флотация

 

Первой была предложена масляная флотация, на которую в 1860 В. Хайнсу (Великобритания) был выдан  патент.В России масляная флотация графита была осуществлена в 1904 в  г. Мариуполе. При перемешивании  измельченной руды с маслом и водой сульфидные минералы избирательно смачиваются маслом и всплывают вместе с ним на поверхность воды, а порода (кварц, полевые шпаты) осаждается. На различной способности минералов закрепляться на поверхности вода- масло основан процесс масляной флотации.

Сталкиваясь с каплями  диспергированного в пульпе масла  и закрепляясь на них, флотирующиеся частицы будут задерживаться на поверхности раздела масло- вода, а нефлотирующиеся – оставаться в пульпе. Если плотность масло меньше единицы, то на поверхности образуется слой минерализированного масла, которое затем удаляется. Если берется масло большей плотности и загружается в небольшом количестве,  то минерализированные гранулы опускаются на дно, а нефлотирующиеся частицы выносятся наверх восходящим потоком воды. Флотационный процесс в таком исполнении применяется для обогащения коксующихся углей и называется грануляционным.

Поверхность раздела жир - вода используется в промышленных условиях для улавливания алмазов в процессе обогащения на жировых поверхностях. На поверхность, по которой течет содержащая алмазы пульпа, или на барабан наносится слой вязкого жира; алмазы закрепляются на поверхности раздела жир- вода, а пустая порода сносится потоком пульпы.

В процессе флотации при  автоклавной плавке серных концентратов используется способность частиц пустой породы закрепляться на поверхности капель воды, находящихся внутри расплава серы, т.е. на поверхности раздела вода- расплав серы. Так как удельный вес капелек воды меньше удельного веса расплава серы, то они поднимаются на поверхность расплава серы, вынося с собой пустую породу, в результате чего достигается очистка серы от загрязняющих ее минеральных примесей.

 

4.2. Флотационное разделение минералов на поверхности жидкость- газ. Пленочная флотация

 

Способность гидрофобных  минеральных частиц удерживаться на поверхности воды, в то время как гидрофильные тонут в ней, была использована А. Нибелиусом (США, 1892) и Маквистеном (Великобритания, 1904) для создания аппаратов плёночной флотации, в процессе которой из тонкого слоя измельченной руды, находящегося на поверхности потока воды, выпадают гидрофильные частицы.                                                                                                                 

Флотационное разделение минералов, происходящее на плоской поверхности раздела вода - воздух, получило название пленочной флотации. Исходная смесь флотирующихся и нефлотирующихся частиц при этом подается на водную поверхность сверху. Флотирущиеся частицы удерживаются на поверхности и переносятся потоком к месту разгрузки концентрата, а нефлотирующиеся – тонут и удаляются в виде хвостов. Принцип пленочной флотации использован в настоящее время при флотогравитационном способе обогащения, широко применяемом в схемах доводки редкометальных концентратов.

Увеличение объёмов и  расширение области применения флотации связано с пенной флотацией, при  которой обработанные реагентами частицы выносятся на поверхность воды пузырьками воздуха, образуя пенный слой, устойчивость которого регулируется добавлением пенообразователей. Для образования пузырьков предлагались различные методы: образование углекислого газа за счёт химической реакции (С. Поттер, США, 1902), выделение газа из раствора при понижении давления (Ф. Элмор, Великобритания, 1906) – вакуумная флотация, энергичное перемешивание пульпы, пропускание воздуха сквозь мелкие отверстия.При пенной флотации флотирующиеся частицы закрепляются на пузырьках, образуемых в объеме пульпы, и выносятся ими на ее поверхность, образуя слой минерализированной пены. Для проведения пенной флотации. производят измельчение руды до крупности 0,5–1,0 мм в случае природногидрофобных неметаллических полезных ископаемых с небольшой плотностью (сера, уголь, тальк) и до 0,1–0,2 мм для руд металлов. Для создания и усиления разницы в гидратированности разделяемых минералов и придания пене достаточной устойчивости к пульпе добавляются флотационные реагенты. Затем пульпа поступает во флотационные машины. 

 

     Образование флотационных агрегатов (частиц и пузырьков воздуха) происходит при столкновении минералов с пузырьками воздуха, вводимого в пульпу, а также при возникновении на частицах пузырьков газов, выделяющихся из раствора. На флотацию влияют ионный состав жидкой фазы пульпы, растворённые в ней газы (особенно кислород), температура, плотность пульпы. На основе изучения минералого-петрографического состава обогащаемого полезного ископаемого выбирают схему флотации, реагентный режим и степень измельчения, которые обеспечивают достаточно полное разделение минералов. Лучше всего флотацией разделяются зёрна размером 0,1–0,04 мм. Более мелкие частицы разделяются хуже, а частицы мельче 5 мк ухудшают флотацию более крупных частиц. Отрицательное действие частиц микронных размеров уменьшается специфическими реагентами.

  Крупные (1–3 мм) частицы при флотации отрываются от пузырьков и не флотируются. Поэтому для флотации крупных частиц (0,5–5 мм) были разработаны способы пенной сепарации, при которых пульпа подаётся на слой пены, удерживающей только гидрофобизированные частицы. С той же целью созданы флотационные машины кипящего слоя с восходящими потоками аэрированной жидкости. Это – гораздо более производительные процессы, чем масляная и плёночная флотация.В зависимости от способа насыщения пульпы пузырьками газа пенная флотация подразделяется на несколько разновидностей.

При обычной пенной флотации, используемой в настоящее время на всех флотационных фабриках, газом является засасываемый или подаваемый под давлением воздух, который диспергируется в пульпе на мелкие пузырьки различными устройствами.

При вакуумной флотации аэрацию пульпы обеспечивают путем выделения воздуха из раствора. Процесс используется для обогащения коксующихся углей и перспективен для флотации тонких шламов других полезных ископаемых.

Аналогичный процесс флотации можно получить, если сначала вода насыщается воздухом под повышенным давлением, а затем при атмосферном давлении происходит выделение пузырьков. Такая флотация с повышенным давлением или компрессионная флотация используется для очистки воды от тонких капелек нефти, которые закрепляются на поверхности всплывающих пузырьков.

Принцип компрессионной флотации получил развитие и используется в настоящее время в процессе адгезионной сепарации для извлечения гидрофобных частиц, осадков и веществ из шахтных, сточных или оборотных вод в результате адгезии их на поверхности выделяющихся из раствора пузырьков газа и отделения образующихся флотационных комплексов от объема жидкости или пульпы.

Образование пузырьков  пара и выделение растворенного  в воде воздуха проходят и при кипячении пульпы. Флотация кипячением применялась некоторое время для обогащения графитных руд.

При химической или газовой флотации пузырьки газа образуются при химическом взаимодействии, например, между загруженной в пульпу кислотой и карбонатами пустой породы, В этом случае флотирующиеся минералы закрепляются на выделяющихся пузырьках углекислоты. Процесс в течение ряда лет применялся в Австралии для переработки отвалов- хвостов отсадки, содержащей сфалерит.

 Тонкодисперсные пузырьки  для флотации из растворов  получают при электролитическом  разложении воды с образованием  газообразных кислорода и водорода (электрофлотация). При электрофлотации расход реагентов существенно меньше, а в некоторых случаях они не требуются При электрофлотации используется междуфазовая поверхность, образующаяся при электролизе пузырьков водорода или кислорода, крупность которых легко регулируется изменением силы тока.

.Процесс может быть использован для флотации мелких или весьма мелких частиц, например, алмазов, а также при осуществлении ионной флотации и ее разновидностей (пенное фракционирование,  флотация гидрофобных и гидрофобизированных осадков, флотоэкстракция), когда поверхность раздела жидкость- газ используется для извлечения из растворов ионов и молекул органических соединений или продуктов их взаимодействия с ионами и молекулами неорганических соединений.. Для очистки воды, а также извлечения компонентов из разбавленных растворов в 50-х гг. был разработан метод ионной флотации, перспективный для переработки промышленных стоков, минерализованных подземных термальных и шахтных вод, а также морской воды. При ионной флотации отдельные ионы, молекулы, тонкодисперсные осадки и коллоидные частицы взаимодействуют с флотационными реагентами-собирателями, чаще всего катионного типа, и извлекаются пузырьками в пену или плёнку на поверхности раствора.

 

При пенной сепарации исходная пульпа, предварительно обработанная реагентами, подается на пену или аэрированную жидкость. Флотирующиеся частицы удаляются с пеной, а нефлотирующиеся проходят сквозь пену под действием силы тяжести и разгружаются в виде камерного продукта. Процесс пенной сепарации используется в настоящее время для флотационного обогащения крупноизмельченных фосфоритовых, калийных, алмазосодержащих и других типов минерального сырья.

Флотационные явления  на границе раздела жидкость –  газ лежат в основе процесса гидрообеспыливания. В этом случае через запыленный воздух движутся капли воды. При столкновении частичек пыли с каплями воды флотирующиеся частицы закрепляются на поверхности капель, а нефлотирующиеся будут переходить внутрь капель.

 

4.3. Флотационное разделение минералов на поверхности твердое- жидкость и твердое- газ

 

Флотация на поверхности  раздела твердое- жидкость реализуется  в так называемой флотации с носителем, когда для повышения извлечения тонких гидрофобных частиц в пульпу добавляются хорошо извлекаемые крупные частицы, на поверхности которых они закрепляются и с которыми флотируются в пену. В качестве флотационного процесса на поверхности раздела твердое- жидкость можно рассматривать коагуляцию (слипание) минеральных частиц в пульпе, широко используемую в технике для осветления шламовых вод. Роль твердой фазы в данном случае играют слипшиеся минеральные частицы. Аналогично, явление слипания твердых частиц в аэрозолях и дымах можно рассматривать как процесс их закрепления на поверхности раздела твердое – газ. Роль твердой фазы здесь играют частицы пыли, а газообразной- воздух или дымовой газ.

 

5. Флотационные реагенты

 

 

Результаты флотации определяются закономерностями и формами закрепления  реагентов на поверхности раздела  фаз, знание которых позволяет регулировать процесс флотации и создавать научную база для ее дальнейшего совершенствования, развития и интенсификации. История подбора реагентов прошла путь от органолептического(если реагент не имеет резкого запаха, он и не флотирует) до молекулярного уровня(электрон реагента участвует в обобщении связи). Поэтому выдвигается общее правило, принцип: нет реагентов для всех имеющихся руд, но есть руды для отдельных реагентов.

 

Процесс флотации происходит при участии  реагентов, которые условно подразделяются на пять классов:

а) собиратели; б) вспениватели; в) депрессоры; г) активаторы; д) регуляторы среды.

 

Собиратели – это реагенты, которые образуют на поверхности минерала гидрофобную пленку и делают поверхность несмачиваемой. К собирателям относятся органические соединения – природные жиры, содержащие олеиновые и другие кислоты, ксантогенат калия или натрия и другие. Для флотации сильвинитовых руд применяют амины